（电力系统及其自动化专业论文）电力系统继电保护校验与评估系统的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力系统继电保护校验与评估系统的 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 座蓝j 垄 日期：坳：望 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 鏖虫茎 导师签名： 日期：型2 ：2 ：蔓日 期：圣巫! ：望 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章序论 随着我国电力事业的飞速发展，电网规模不断扩大，电网结构日趋复杂，高电 压等级变电站得到了迅速发展，电力系统对继电保护提出的要求越来越高。电力系 统继电保护的任务第一是故障后，能自动、迅速、有选择地切除故障源，使故障设 备免于遭到破坏，保证其它无故障设备能正常运行，第二是反应电气设备的不正常 运行状态，动作于发出信号，减负荷或跳闸，对于不正常运行状态，一般不要求迅 速动作，延时可避免由于干扰而引起的情况，防止误动作。继电保护和安全自动装 置是电力系统的重要组成部分，对保障系统安全、保证电能质量、防止故障的扩大 和事故的发生，都有其重要的作用。 随着对保护原理研究的不断深入，在应用中的保护原理的作用范围、保护算法 的合理性和实用性、保护在特定故障下动作是否正确，保护的动作区能否满足要求 等，都需要对保护进行校验并能给出合理的正确的评价。 继电保护投入使用后，在它所保护的设备运行的情况下，是不允许对保护装置 进行调整试验的，因此保护装置力求能适应各种运行方式和各种复杂故障。目前对 保护的试验是和实际保护装置连接做的各种动模试验或者借助一些试验装置完成 的，整套装置的整组试验时间比较长，成本比较高，而且所做试验也是有局限的， 不能对电力系统一些复杂故障和大型电力系统进行仿真。 继电保护是一门实践性很强的学科，所研究出来的任何新原理、新算法都必须 经过大量的验证，证明其确实可行之后，才允许投放到系统中去。在现阶段，研究 人员验证新的保护原理，一般有两种途径：一是利用单片机或者工控机作为核心做 出保护装置，采用汇编语言或者c 语言编制相应的软件，通过动模实验来验证保护 算法的性能；二是利用电力系统故障仿真软件仿真系统的各种故障状态的暂态过 程，以其所得的数据去测试、分析原理的正确性。然而，上述做法对于保护新原理 的研究而言，却存在这样一个问题：中间过程不清晰，不便于分析、寻找问题。 在实验过程中保护装置只是一个黑匣子，通过相关设备给它输入一定的交流信 号，装置经过定时采样、a d 转换、启动判别，通过由保护算法决定的数学运算和逻 辑判断，最终输出能够看到的开关量。由此知道保护装置是否正确动作，但具体的 软件执行过程并不知道，中间变量的具体值也不清楚。显然，这不利于对具体的保 护算法进行分析。利用数字仿真软件产生的数据进行测试，分析也如此。为此，希 望寻求一种简单易用的工具，不仅可以模拟保护算法执行的全过程，同时在这个过 华北电力大学硕士学位论文 程中还可以即时显示一些希望看到的中间变量，从而能够加快新原理的研究和开 发。 继电保护装置能否正确地发挥作用，离不开正确可靠的整定计算，通过整定计 算确定保护装置的技术规范，对现场实际应用的保护装置，确定其运行参数，给出 定值。在整定工作完成以后，保护定值的整定是否正确，灵敏度是否满足实际运行 的需要，对保护人员所配置的保护方案是否合理，保护的动作是否正确，保护的动 作区能否满足要求，则需要通过保护校验来检验，从而使继电保护装置正确地发挥 作用，保障电气设备的安全，维持电力系统的稳定运行，防止因使用参数错误、整 定值计算错误、保护方案的选择不合理造成保护装置的误动及拒动等不正确动作。 目前大部分整定计算工作由电子计算机辅助完成，经过长时间的发展，整定计 算软件已经比较成熟，在继电保护的工作中发挥了重要作用“1 。但是面对复杂的 电力系统，在某些情况下，整定计算软件给出的定值可能不够合理，对于电力系统 来说，这是十分危险的，一旦发生故障，而保护装置定值是否准确、合理，必须经 过实际系统故障的检验才清楚，但这种事后分析是被动的，可能会给系统安全稳定 运行带来一定的风险：另一方面，考虑到电力工业在整个国家经济中的重要地位， 避免给系统运行造成不应有的危害，不可能主动在真实系统中进行实验。解决这一 阆题的有效途径是利用计算机模拟电力系统故障时继电保护装置的动作行为，以校 验继电保护装置整定结果是否正确。 基于以上分析，设计一套功能完善的，实用性强的继电保护校验与评估系统来 模拟实际保护装置具有很大的实用意义，可以减轻现场校验人员的计算工作，可以 帮助分析、验证现有保护装置的可靠性和灵敏性，从而使继电保护装置正确地发挥 作用，保障电气设备的安全，维持电力系统的稳定运行。 1 2 国内外研究动态 国内外资料表明，继电保护仿真校验的研究通常有三种研究方向。 ( 1 ) 实际保护装置加入一定的模拟电子信号，测定保护装置的动作行为”。 最常用的方法是利用电力系统电磁暂态程序e m t p ( e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tp r o g r a m ) ，制造出为实际继电器设计的试验信号。在这种情况下，经过d a 转 换和功率放大，以模拟量的形式输出e m t p 仿真结果。这些信号有一定的功率，用 来试验现有的继电保护装置。另一种方法是利用电力系统实际故障中获得的故障数 据记录，该记录使用标准的输出格式记录故障数据，经过d a 转换和功率放大， 试验继电保护装置。这种研究方向只能对现有继电保护装置进行测试，在保护装置 的开发初始阶段，无法帮助设计人员了解装置原理是否合理，电路结构是否合理， 2 华北电力大学硕士学位论文 参数选择是否恰当，不能及早发现问题，同时测试装置比较复杂，会面临实验可能 会造成的经济损失的问题。 ( 2 ) 着重于保护装置内部动作行为的仿真分析 有的文献报道，通过建立状态方程，对保护装置的一部分进行了极为详细的描 述，利用数字仿真求解。该模型接受从电压互感器和电流互感器来的人工波形来计 算它的暂态响应，以获得继电器真实的暂态性能。其仿真结果较为精确，但这种方 法是对具体问题的研究与解决，工作量大，对于复杂的整套保护装置的模拟仿真用 这种方法难以实现。 ( 3 ) 电力系统仿真与继电保护装置仿真相结合，分析保护装置的保护行为 这种仿真利用电力系统仿真来实现继电保护装置的仿真。在电力系统仿真中， 通过对其进行故障设置，由系统得出故障电压和故障电流，从而为继电保护装置提 供理想的输入信号，进而分析继电保护装置的保护行为。目前大家公认并广泛接受 的电磁暂态程序e m t p ，具有精确模拟电力系统暂态行为的能力，能够为继电保护装 置输入较好的信号。但是，由于继电保护装置模型是由其它的高级语言开发的独立 模型，保护动作后的跳闸信号不能反馈到e m t p 中去控制其断路器模型，因此存在 着一定的缺陷。 目前对继电保护的仿真主要是针对继电保护动作行为的仿真，以及对保护装置 的操作和调试功能的仿真，缺少对保护内部功能算法和整套保护仿真相结合，并且 能和一次系统构成闭环校验的保护仿真校验系统，然而对于继保装置设计研究人 员、在校学生以及继保专业人员来说，这样的系统将给他们的工作学习带来极大的 便利，对现场人员的培训也有一定的实用意义。 1 3 课题研究解决的问题及主要工作 本课题是在二次图形化仿真支撑平台系统上，通过构造和实际继电保护装置一 致的软保护，来实现对保护装置动作过程和结果的模拟，为电力系统继电保护的校 验与评估奠定坚实的基础。通过和一次实时数字仿真系统相连可以进行保护闭环校 验，也可以采用故障录波数据进行离线校验。对各种装置的保护原理和构成可以做 到直观的仿真，还可以模拟实际保护装置的面板，实现对现有继电保护进行校验， 对各种保护整定规则进行评估与研究。对于保护仿真中的人机交互部分也是实现保 护校验的重要组成部分，、主要包括微机保护装置的面板控制、液晶屏、操作键盘和 面板信号显示。校验结束后形成的分析所需数据文件，作为数据源提供给继电保护 专用分析和评估工具，对保护装置进行动作特性分析研究，并给出评估结果。 保护校验系统能很好的实现硬件保护装置的各项功能，用软件在w i n d o w s 环 华北电力大学硕士学位论文 境下即可实现用选定的录波数据验证选定的保护算法，一旦保护算法编写完成，故 障模拟系统建成，只需选择数据和算法，根据需要点击几下鼠标，几分钟内就可以 完成对算法的测试，根据界面显示可以很直观的得到分析结果。而且可以清晰的看 到各个中间变量，做到对保护的流程心中有数。 本文在研究分析1 l o k v 线路微机保护装霞的结构、原理、功能和保护逻辑的基 础上，对其中用到的模块进行分层，从而构建出软保护功能的层次。由于继电保护 的生产厂家、继电保护的种类繁多，试图由一个单位开发出所有产品的“软保护” 是不现实的，通过对几个主要继电保护生产厂家的某几种保护进行深入的研究分 析，找出继电保护构成的最小构成元素，开发出继电保护配置的一种通用工具，采 用与参照的实际继电保护装置对比的研究方法，使开发继电保护配置工具满足实际 工程应用的要求。对保护进行分层后用算法实现保护装置各个模块的功能，通过二 次仿真平台对各个功能模块进行验证，并在此基础上搭建整套线路保护，完成整套 保护的模拟。 为了使软保护能更真实的模拟实际保护装置，要求软保护尽量达到：与实际的 继电保护装置原理一致、算法一致、程序逻辑一致、进程一致、动作特性一致、定 值清单一致。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 1 系统实现的功能 第二章系统总体方案设计 一 本文中的电力系统继电保护校验与评估系统的开发是有针对性的，整套系统的 功能完备之后，可以方便现场保护人员对继电保护装置的运行和性能的理解和分析， 增强他们的理论水平，是一种很直观的事故预演的工具，对于事故分析也将起到很 好的协助作用。对于保护开发人员，验证保护某个元件或整套保护装置的性能，本 系统使用方便且灵活，也可以减少他们的工作量。 作为一个保护校验与评估系统平台，用户可以利用这个平台达到研究保护各方 面性能的目的，模块化的设计思想使得系统能够扩展，用户使用过程中可以方便灵 活。系统总体方案及功能见图2 - 1 。 图2 - 1 系统整体结构图 5 华北电力大学硕士学位论文 利用一次仿真系统建立系统接线图，之后对一次设备在二次图形化仿真支撑平 台上配置相应的保护，选择需要校验的保护内容之后即可进行校验。其中对保护的 校验分为三种模式：实时闭环校验、离线校验和利用故障录波数据的校验，实际应 用中根据应用条件的不同加以选择使用。图中仿真条件的设置是在一次实时数字仿 真系统中进行的，能够对电力系统正常运行状态和故障情况进行仿真，不仅可仿真 简单的接地和相间故障时保护装置的动作行为，还能够准确模拟重合闸、转换性故 障、跨线故障、系统振荡中再故障等复杂情况下系统的行为特性，能为保护装置的 全面测试校验提供有效的复杂数据。 2 2 主要功能简介 2 2 1 继电保护配置 继电保护的配置试图通过合适的方法构造和实际继电保护装置一致的软保护， 为电力系统继电保护的校验与评估奠定坚实的基础。由于继电保护的生产厂家、继 电保护的种类繁多，试图由一个单位开发出所有产品的“软保护”是不现实的，通 过对几个主要继电保护生产厂家的某几种保护进行深入的研究分析，找出继电保护 构成的最小构成元素，开发出继电保护配置的一种通用工具，采用与参照的实际继 电保护装置对比的研究方法，使开发继电保护配置工具满足实际工程应用的要求。 ( 1 ) 总体要求：与实际的继电保护装置原理一致、算法一致、程序逻辑一致、进 程一致、动作特性一致、定值清单一致。 ( 2 ) 通过不断完善丰富工具类，可以“生产”出不同厂家、不同种类、不同原理 的保护产品。该产品可以在继电保护校验时直接投入运行。 2 2 2 微机继电保护专用培训、分析与评估工具 图2 - 2 培训、分析、评估工具与系统其它部分关系构成图 6 华北电力大学硕士学位论文 微机继电保护专用培训、分析与评估工具与d d r t s 仿真数据、保护校验形成的 报告、故障录波数据、通用微机保护试验装置相连，根据三神不同的保护校验模式， 对一次实时仿真系统的数据、闭环校验形成的保护报告、通用微机继电保护试验装 置通过以太网通讯与校验系统之间传输的数据以及故障录波数据通过规约转换形成 评估系统可以识别的数据，所有这些数据经过数据识别对保护校验进行评估分析， 给出合理的评价结论。 2 3 二次图形化仿真支撑平台的介绍 图形化仿真支撑平台系统是利用最新的计算机图形技术，开发的具有强大的图 形绘制功能、图形建模功能以及图形化调试运行功能的仿真支撑平台系统。 用户利用该系统可以非常方便地自定义一个新的算法，并且可以为该算法设计 一个非常形象化的图元，该系统具有方便的算法图形编辑功能：另外算法可以任意 分类管理，充分体现平台的灵活性。 该系统为用户提供了一个非常直观的图形化的模型构建工具，用户只需从算法 库中拖出算法到建模区，即可生成一个模块，用连接线将各模块的输入输出相连， 就构建成了一个新的模型，连接线可以任意加减节点，从而美化模型的布线。各模 块的输入输出量初始值可以非常方便地进行修改，还可以对各模块的输入输出量的 描述重新定义，总之，该系统很好地体现了图形化构建模型的快速性、方便性和直 观性的特点。 该系统的一个显著功能是可以无限级构建组合算法，当用几个模块构建成一个 具有通用功能的模型时，可以将该模型打包，重新定义成一个组合算法，从而可以 非常方便地用该组合算法构建其它更复杂的模型，这一过程可以无限级进行，构建 出复杂的多层次的组合算法。 该系统的另一个显著功能就是在构建模型时可以方便地切换到模型运行状态， 了解模型的运行情况，而且可以实时修改模型交量的数据，干预模型的运行，可以 用曲线监视各模型变量数据的变化情况，并且可以查看各模块的有关端子的数据列 表。 2 3 1 界面元素 ( 1 ) 主菜单 新建工程：本系统对用户数据采用工程方式，一个工程可以认为是为搭建某一 个通用装置的模型或者是为一个大型的仿真工程搭建模型。新建工程时会要求输入 工程名称以及工程数据存放的路径，另外还必须选择所使用的算法库信息文件 ( i n f 文件) ，同时还要求在算法库信息文件相同目录下有相对应的算法库文件 7 华北电力大学硕士学位论文 ( d l l 文件) ，算法库文件与算法库信息文件只是文件后缀名不同的。 打开工程：打开一个用本系统建立好的已有工程，要求在工程目录下，存放有 工程所需的所有数据文件，否则会出错。 ( 2 ) 模型构建菜单 新建图页：一个工程模型可以在多个图形文件中展示，因此可以根据需要把一 些模块建立在另一个图页中，处于不同图页中的模块，可以通过远方连接线进行连 接。 关闭工程：可以在不退出系统的情况下，重新搭建一个新的工程。 保存工程：保存工程数据，包括图页中模型数据以及图形化算法库信息。 图页管理：可以对本工程下的所有图页进行维护，包括图页名称的修改，以及 整个图页的删除。 合并算法：如果用户增加了算法，则可以将增加算法的描述文件读入本系统中， 与原有的图形化算法合并( 注意在搭建工程的过程中若已搭建模型中的某个模块进 行了修改，必须将绘图区中和分类中的该模块删除，之后再合并算法才能将原有模 块的算法进行更新) ，但要求将算法库文件( d l l 文件) 换成包含了合并后所有算法 的算法库文件。合并的算法是接口算法( 算法名称以r t 一开头) 则不需更新算法库 文件。 设置图幅：缺省图幅大小是5 0 0 * 3 0 0 ，如果觉得模型较大，在图页中显示不下， 则可以扩大图幅( 可以任意扩大，如5 0 0 0 * 3 0 0 0 ) ，此时模型图元将变小，可以通过 放大镜放大后进行模型构建。 ( 3 ) 绘图板 图 选中某一按钮后，在绘图区点击鼠标左键即可开始绘图，点击鼠标右 2 - 3 键则绘图结束。= 选中连接线按钮后，将鼠标移动到模块的输出触点上，光标变成十字图 形时才可绘制，然后继续移动鼠标，当移动到模块的输入触点上时，光标 彤 变成十字形时，点击鼠标左键连接线才绘制完成，在中途点击鼠标左键则 銎 会增加连接线节点，节点可以调整连接线位置，并且在以后还可以进行增 罾 减连接线上的节点。平 模块搭接时用平台右端的绘图区工具进行连接，一般的近距离的模块可 用模块连接线连接即可，注意相同数据类型的管脚之间才能互相连接。对拨 于距离比较远的模块或者处于不同图页中的模块，为了连接方便并且不影 圈 响整个图的美观，建议用远距离连接线连接，将连接线属性中连接线名称 区 改为对应的前端需连接的端子名称，通过名称关系建立连接。所有保护定 窖 华北电力大学硕士学位论文 值均用输入端子表示，通过外部变量连接线与实时数据库中定义的定值相连接。 ( 4 ) 模块导航区 在模块导航区中用树状结构显示了所有图页，以及该图页下的所有模块。双击 图页名称，则将显示该图页。 2 3 2 新建模型并调试 选择合适的算法库后新建一个工程，从算法库显示区中选中算法后拖动鼠标到 绘图区，则生成了一个相应该算法的模块，在绘图板工具中选中连接线按钮后，将 鼠标移动到模块的输出触点上，光标变成十字形时才可绘制，然后继续移动鼠标， 当移动到模块的输入触点上时，光标变成十字形时，点击鼠标左键连接线才绘制完 成，在中途点击鼠标左键则会增加连接线节点，节点可以调整连接线位置。 多个模块通过连接线相连后搭建成一个模型，点击工具条中的运行按钮，则系 统进入模型运行状态，可以进行调试了。在系统运行状态下，选择模型菜单中的运 行模型菜单，则模型开始运行，可以用曲线监视变量数据变化，或将数据输出到画 面中直观显示，或双击模块，查看该模块所有输入输出变量的数据。 2 3 3 与其他系统接口 实际上与一次系统数据连接或p s s 画面连接都是通过实时数据库完成，即系统 从实时数据库中读取数据到模型，或将模型数据传送到实时数据库中。采用原v g 系统数据连接方式较为繁杂，首先需要在d a t a d a t a f i l e 目录下的m a r l b a k c s v 文件中填写模型需要传送到实时数据库中的逻辑量数据的变量对应关系， m a t 2 _ b a k c s v 文件中填写需要从实时数据库中读取的模拟量数据的变量对应关系， m a t 3 _ b a k c s v 文件中填写需要从实时数据库中读取的逻辑量数据的变量对应关系， m a t 4 一b a k c s v 文件中填写模型需要传送到实时数据库中的模拟量数据的变量对应 关系。而后把四个文件中的对应关系添加到e x e m m i 目录下的m m i c s v 文件中，但 格式稍有不同。 m a t l - b a k c s v 、m a t 2 一b a k c s “m a t 3 一b a k c s v 、m a t 4 _ b a k c s v 文件格式：第一 列为实时库中数据类型，f 为浮点数类型，i 为整数类型；第二列为模型中变量名 称；第三列为实时库中的库名：第四列为实时库中的表名；第五列为实时库中的取 值字段名；第六列为实时库中的关键字段名( 用于查找第几条记录，一般都是i d 或i d ，看具体的表了) ；第七列为实时库中的关键字段的值；第八列为注释。 m m i c s v 文件格式：第一列为模型中数据为模拟量数出( a o ) 或模拟量数入( a i ) 或逻辑量数出( d o ) 或逻辑量数入( d i ) ：第二列为模型中变量名称；第三列为实 时库中的库名；第四列为实时库中的表名；第五列为实时库中的取值字段名；第六 9 华北电力大学硕士学位论文 列为实时库中的关键字段名( 用于查找第几条记录，一般都是i d 或i d ，看具体的 表了) ；第七列为实时库中的关键字段的值；第八列为注释。 2 4 系统开发环境 本校验系统中保护模块算法采用f o r t r a n 语言进行编写，开发环境为v i s u a l f o r t r a n5 0 。算法的编写按照规定的格式进行，算法信息的定义采用i n f 文件形 式并且按规定的格式进行定义。保护定值管理部分涉及到对数据库的操作，可以根 据已搭建的保护模型的输入端名称，对实时数据库进行直接的处理，增加修改记录， 也可以用e x c e l 文件格式按一定格式编写成定值清单文件，将其根据对应的数据库 名称、数据库表名和文件名称导入数据库即可。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 3 1 概述 第三章软保护的层次构建 计算机语言在引入结构化程序设计与面向对象程序设计技术后，使计算机编程 技术产生了一个很大的飞跃。在保护装置产品的软件设计过程中，或者由上到下， 或者由下到上先进行层层功能分解，最后我们只需要设计基本模块即可。在应用时， 我们只要对这些基本模块进行有机组合就可以实现各种功能，设计继电保护就如同 设计面向对象程序似的，对这些基本模块进行封装，就可以实现我们所需要的各种 继电保护功能。而且在对某一模块进行改变时，不会影响到其它功能模块的工作“。 ( 5 】 o 本文中在软保护设计中也引进了模块化的思想，先对保护装置进行层层功能分 解，最后只需要设计基本模块。在应用时，只要对这些基本模块进行有机的组合就 可以实现各种继电保护功能，搭建出各种继电保护装置的组合逻辑”1 。 3 2 模块的分层 整个电力系统的继电保护按其保护对象来划分，可以分为主设备保护( 如发电 机保护、变压器保护、电动机保护、母线保护等) 及线路保护，根据不同功能它们 又可分解为若干种保护，例如线路保护有电流电压保护、距离保护、差动保护等； 另外，在发电机保护中有容量的差别，在变压器保护中有容量、电压等级的差别，在 母线保护中有电压等级、分段与不分段、带不带旁路的差别；再者，为保证继电保 护系统的可靠动作，反应于短路故障的保护应有主保护和后备保护之分，主保护是 为及时切除故障的保护，后备保护是主保护或断路器拒动时，用以切除故障的保护， 这两者在原理上是近似的，但参数不同。由上可知，继电保护产品依其保护对象、 功能、容量和电压等级的差别，种类非常多。 对于种类众多的保护来说，要对它们进行拆分分解为单元模块需要遵循一定的 规则，力求达到分解合理，重组方便，这也是软保护研究要解决的首要问题。 3 2 1 模块确定的原则和方法【7 】【8 】【9 】 ( 1 ) 以功能为核心进行分解 模块是具有确定功能的独立单元，功能是构成模块的依据，也是进行系统分解 的基础。系统功能分解呈层次性，模块按其集成程度也呈层次性，上层模块由下层模 块集成( 组合) 而得。 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 通用功能要素的提取与典型化 对各种继电保护装置，按功能及电路构成逐层向下分解。就可以发现各保护装 置间有许多相似的功能要素，如把这些相似要素，经过简化、统一化，归并成为一种 或几种典型的功能单元，然后把这些典型的功能单元从产品中分离出来，使之成为 能通用于多种产品系统的具有特定功能的独立单元，这就是系统分解所得的通用模 块的雏形。这是一个典型化的过程，即使功能单元具有典型性，使之具有概括和代表 同类事物的基本特征的性质。典型化的意义在于消除模块在功能上的不必要的重复 性和多样性，典型化内容包括功能、参数和接口的典型化。典型化可在不同层次上 进行，由此可形成规模与层次不同的模块。 ( 3 ) 分解点的选择 模块必须易于组合成系统，又易于与系统分离，以便于整套保护的组合和便于 验证单独的保护模块功能。所以，在将系统分解为模块时，模块的内聚度应最大， 而把分解点选在接口最少、最弱的部位，这样可简化模块的接口结构，使系统既易 于分解，又易于组合。 ( 4 ) 模块的“冗余”设计 模块设计中的冗余，是为了给模块或产品功能的延伸、扩展留有余地，或使一 种模块有更大的适用范围，其目的是提高模块的通用化程度，使基本模块取得规模 生产的效益。 ( 5 ) 模块的定型化 由系统分解而得到的模块雏型，实际上是模块系统总体设计的产物，需经过详 细设计并经实验测试才可能形成具有实用价值的具体功能模块。模块的形成需经历 性能测试，在反复优化的基础上，对其进行全面定型化，这个定型化的过程实际上 就是标准化的过程，由此就形成为软保护通用的标准单元一一通用模块。 ( 6 ) 模块的改型与更新 模块化是一个动态的过程，由于模块的确定，是运用系统工程方法，自上向下 地进行分解，并且其主要功能参数、输入输出接口采用标准化处理方法，因而模块 的改型及新模块的派生都是有继承性的，都是局部的更新，一般不至于造成相邻模 块的改动。 。 3 2 2 微机保护的分层1 1 0 】【1 1 】【1 2 】 通过对典型保护的分析，把典型的功能单元分离出来，使之成为通用于多种保 护的具有特定功能的独立单元，也就是基本模块。基于上述思想，对保护装置进行 华北电力大学硕士学位论文 分解如下 保护的动作逻辑层 动作特性和保护判据层 保护的基本功能元件 采样数据的预处理( 采样、a d 转换1 仿 或 ) 图3 1 微机保护分层 第一层，各种保护的动作逻辑 根据保护装置的类型和要保护的一次设备种类，利用低层相关的元件搭成保护 动作逻辑，就能完成具体的保护功能，进而可以组成一套完整的保护装置。例如三 段相间距离、三段接地距离、四段零序电流方向、高频相间距离、高频零序方向保 护、三相一次重合闸可以构成一套l l o k v 大电流接地的线路保护。用分相式快速虚 拟比相式电流突变量保护和比率制动式电流差动保护，可以构成母线保护的主保 护。总之，可以利用各种保护功能模块搭建保护装置，并完成保护任务，满足实际 应用的不同需要。 第二层，动作特性和保护判据层 本层是各种具体保护功能的动作特性和动作判据，例如p t 断线、c t 断线，线 路保护中用到的阻抗特性、零序各段动作判据、方向特性等，发电机比率制动式差 动保护、不完全纵差保护、标积制动式差动保护、发电机匝间保护、裂相横差保护 判据等元件。将本层的模块进行逻辑组合并调用第三层模块就可以实现一定的保护 功能。 第三层，保护的基本功能元件 本层中的各保护元件是按照保护原理中用到的保护功能划分，各元件尽量做到 相互独立，互不嵌套。根据保护种类不同，其中包括启动元件、选相元件、阻抗计 算元件、差动电流元件、制动电流元件、时间元件、逻辑门、开关量输入、开关量 输出及各种其它电气量的计算元件等，其中有些元件根据保护中用到的具体类别有 华北电力大学硕士学位论文 不同子类元件，如：启动元件包括突变量启动和零序辅助启动。 第四层，采样数据的预处理 ( 1 ) 滤波、滤序和电压电流的计算 本层包括基波移各次谐波的滤波运算、滤序和电压电流的计算。滤波算法包括 傅立叶算法、沃尔希函数算法等，还有一些将电气量的运算与动作判据结合在一起 的算法，例如，用离散值直接实现的方向阻抗继电器的算法，利用输电线路的简化 模型写成的微分方程直接计算输电线路短路电阻和电感的算法等。根据保护原理和 功能的不同选择合适的滤波算法。滤序包括正序、负序、零序分量的求解，可以采 用相量法或基于采样值的算法。 ( 2 ) 数据的采样及模数转换 数据采样的作用是将电流互感器二次、电压互感器二次的模拟信号转换为数字 信号，供保护微机系统进行分析计算，以确定系统是否发生故障。采样保持模块完 成的功能就是在采样时刻把模拟信号的瞬时值记录下来，且在a d 转换期间使被采 样的信号保持不变。 模数转换实际上可以认为是一种编码电路，它可以实现将模拟的输入量以相 对于参考电压u 。经过编码转换成n 位二进制数字量d 。用二进制表示为 d = b 1 2 1 + 展2 。+ + 风2 一“ ( 3 1 ) 式中 旦一最为二进制数的0 或l ，r l 为a d 转换的位数 其中d 是一个小于1 的数，d = u 4 ，从而模拟信号可表示为以= d 。 模数转换的方法有多种，可以是基于逐次逼近原理的，也可以采用电压频率变 换式的计数式模数转换。 3 3 线路保护用到的模块及其算法 经过对北京四方继保自动化股份有限公司的c s l 一1 6 1 b 线路保护装置的分析， 并根据上述模块分层的原则和方法，将保护按功能划分为以下的基本模块，各模块 的算法列举一二，可以根据实际需要为同一功能模块增加不同算法： 3 3 1 保护的动作逻辑 鉴于时间有限，现只分析c s l 一1 6 1 b 中功能配置中的启动元件、三段相间距离、 三段接地距离、四段零序电流方向、三相一次重合闸、p t 断线这几部分的保护逻辑， 不对保护的高频保护迸行分析。 1 4 磐蠹嚣 预4 量阻抗让 b ”一 酗 o ，两 0 r m 0 l x 蟋x x n i r m l lr mir d z +x m ( 3 3 ) 测量阻抗在c 区的判别式 ) ( l 0 r m r d z ( 3 4 ) l i x ml ir m 2 p t 断线检测 对于l l o k v 输电线路保护对应的是大电流接地系统，装置设有两种检测p t 断 线的判据，两种判据都带延时，且在线路正常运行且启动元件不启动的情况下投入， 一旦启动元件启动，p t 断线检测立即停止，等整组复归后才恢复。 ( 1 ) 三相电压之和不为零，用于检测一相或两相断线 判据是：i 虬+ 乩+ 玑1 ) 7 伏( 有效值) ( 2 ) 三相失压的检测 i 玑i 、j 乩i 、i 玑l 均小于8 伏，且电流回路任一相电流大于0 0 4 i n ，附加电流条 件是防止p t 在线路侧时，断路器合闸前误告警。 检测到p t 断线时距离保护退出工作，监视p t 电压，一旦电压恢复正常，距离 保护将自动重新投入工作。 3 零序方向元件 在双侧电源的接地系统中，为防止在反方向发生接地故障时，零序保护误动作， 应加入零序功率方向元件。 零序方向元件设有正反两个方向的方向元件，正向元件的整定值可以整定，反 向元件不需整定，灵敏度自动比正向元件高，电流门槛值取为正向元件的0 6 2 5 倍。 零序正方向动作区为1 8 。a r g ( 3 1 0 3 u 0 1 5 1 8 0 。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 零序反方向动作区为- 1 6 2 。a r g ( 3 1 0 3 u o ) o o 零序正方向元件的动作判据为； 位于零序正方向区，且3 i o 3 i o d z ，其中3 i o d z 指零序i i v 段电流定值1 0 1 、 1 0 2 、1 0 3 和1 0 4 。 零序反方向元件的动作判据为： 位于零序反方向区，且3 1 0 0 6 2 5 3 i o d z 。 3 3 3 保护的基本功能元件 1 逻辑元件 保护中用到的逻辑门包括不同数量管脚的与门、或门、非门及组合门，这一部 分的算法较为简单，只介绍与门的算法，不对其它具体算法作介绍。 逻辑与 ( 1 ) 、算法名：a n d ( 2 ) 、概述：该算法实现至多5 个数字量输入的逻辑与运算。 ( 3 ) 、数学描述：z = n i n 2 n 3 n 4 n 5 ( 4 ) 、参数说明： n i ( i = 1 5 ) 数字量输入； 卜数字量输出： 布尔乘运算符。 ( 5 ) 、假定：如果n i 没有确定，则第i 个及其以上的输入项不参与运算。 2 开关元件、时间元件、开关量输入输出元件 保护逻辑中的控制字在软保护中用开关来代替，开关有两种，一种是开关断开 时，输出为0 ，开关闭合时输出等于输入；另一种是开关断开时，输出为1 ，开关 闭合时输出等于输入。 时间元件也有两种，延时时间元件和计时元件，延时时间元件为数字量延时、 拓展输出，在保护逻辑中有广泛的应用，计时元件是带有清零端的时间元件。 开关量输入、输出元件是作为数字量的输入输出元件 3 启动元件 线路保护的启动元件，主要任务是当输电线路发生短路故障时启动保护装置或 进入故障计算程序。对启动元件的要求： 能反应各种类型的短路故障，即使是三相同时性短路故障，启动元件也应能可 1 7 华北电力大学硕士学位论文 靠反应。在保护范围内短路故障时，即使是短路点存在过渡电阻，启动元件应有足 够的灵敏度，动作可靠、快速，在故障切除后迅速返回。当供给阻抗继电器的电压 回路发生异常时，阻抗继电器要发生误动作，此时启动元件不应动作，因此启动元 件应采用电流量，不应采用电压量来构成启动元件。 反应突变量的启动元件在线路保护中应用很广泛，可以是反映相电流突变量的 算法，也可以是反映相间电流突变量算法，定值采用固定门槛或浮动门槛。另外为 了防止经大电阻接地时，突变量启动元件灵敏度不够，还设置了零序辅助启动元件， 在零序电流大于零序保护任一段定值时启动，投入整套保护，所以整定时不必要求 突变量启动元件同零序末端定值配合。 ( 1 ) 突变量启动元件“ 至其它程序 图3 3 突变量启动元件逻辑流程图 算法名：x c t q d 概述：利用相电流差突变量，采用固定门槛，并判断保护是否启动 1 8 华北电力大学硕士学位论文 判据为：a 口o ( a 坦d 其中出卿= i b 嗽) 一印嗽- ) ) 一嗽孵一愀女2 ) 1 妒伊指a b 、b c 、c a 三种相别，i q d 为突变量启动定值 当任一相电流差突变量连续四次超过启动定值门槛时，保护启动。 ( 2 ) 零序辅助启动元件 算法名：l x f z o d 概述：零序电流辅助启动，作为突变量启动元件灵敏度不够时的启动元件 判据为： 3 1 0 1 0 4 其中3 1 0 为三倍的零序电流，1 0 4 为零序电流启动元件的定值 4 选相元件 为了能实现选相跳闸，同时为了防止非故障相的影响，一般都要设置一个故障 类型、故障相别的判别程序。选相方法既可以用于选相跳闸，又可以在阻抗继电器 中傲到仅投入故障特征最明显的阻抗测量元件。在突变量启动元件检查出系统有故 障后，先由它判断故障类型和相别，然后针对已知的相别提取相应的电压、电流， 进行阻抗计算。 选相原理有很多种，可以用序电流、序电压选相，也可以用相电流差突变量、 相间电压突变量、补偿电压突变量选相，总之具体采用哪种方法应根据应用场合进 行选择。 ( 1 ) 利用采样值进行选相 采用保护安装处相电流差突变量6 o 、6 1 c a 进行选相，经过分析得知， 当发生单相接地故障时，根据对称分量法的基本原理，假定系统的正序阻抗和负序 阻抗相等，不难得出两非故障相电流和故障相电流之差为零，即两非故障相电流差 突变量为零，含有故障相两个相电流差突变量具有很大的数值( 绝对值) ，且绝对 值相等；当发生两相或两相接地故障时，三个相电流差突变量均具有很大的数值， 其中两故障相的差电流最大，而包含有非故障相的两个差电流相等；对于三相短路， 三个相电流差突变量均具有很大的数值，且三者相等。根据这个结论，选相元件可 以按下面所述方法实现。 故障后计算出世。、越b c 、越0 ，将三者进行比较排队，分为大、中、d , t ，再 判断最小量是否远小于大量和中量，如果是则小量对应的相别为非故障相，且为单 相接地故障。如果不是单相接地故障，则必为相间故障，判断相问故障的方法是不 满足上述条件则大量对应的相别为故障相别，进而再区分两相短路和两相接地短 路。需要注意的是，在工程中要判断a 远小于b ，可以用5 倍的门槛来实现。 1 9 华北电力大学硕士学位论文 下图为突变量选相的流程图，其中以a i b c 的绝对值最小为例，其余分支可以参 考图示流程进行分析。 读取一次离散值数据 a 相接地 a b a c aa b 短路 图3 4 相电流差突变量选相流程 ( 2 ) 序分量选相“” 根据故障分量的正序电流( i i a ) 和负序电流( 1 2 a ) 的相位差，选出故障相。 针对单相接地故障，可以将平面划分为三个动作区，每个动作区为1 2 0 。 针对两相接地和两相故障，也可以将平面划分为三个动作区，每个动作区为 1 2 0 。单相故障和相间故障的动作区有重叠区，两相短路和两相接地短路的动作区 完全相同。因此，要区分出来必须加另外的判定条件。 判断零序电流是否大于某一门槛值，来区别是否为接地故障，若大于门槛值， 则为接地故障，否则为相间故障。 为区别单相接地短路和两相接地短路，可比较正序电流与负序电流的绝对值的 差，单相接地时，两者的绝对值相等，因此，两者差值为零，两相接地短路时，正 华北电力大学硕士学位论文 序电流的绝对值大于负序电流的绝对值，其差值为某一值，可以设置门槛值，当差 值大于此门槛值时为两相接地故障，否则为单相接地故障。 序分量选相元件的选相流程图见图3 - 5 ，作为一个模块，其算法的格式可以表 示为： 算法名：x f l x x ： 功能描述：求 1 a 和1 2 h 的相位差，判断出故障相别； 输入变量：1 1 a 和1 2 a 的实部和虚部； 输出变量：选相结果( 用数字表示) ； 参数：无 图3 5 序分量比相选相逻辑框图 2 1 华北电力大学硕士学位论文 实际上，保护中的选相方法有各自的特点，但不少判据又有一定的局限性，因 此，选择方法时，应该充分考虑其充分的使用条件，例如突变量选相仅在短路初始 阶段十分有效，而序分量选相则反应较突变量慢。 5 阻抗测量元件 在距离保护中阻抗元件作为重要的测量元件，阻抗有不同的求解方法，在具体 应用中根据实际情况加以选择。 ( 1 ) 用傅氏算法的结果计算阻抗n 5 1 设用傅氏算法求得的基波分量的电压、电流用实部和虚部表示分别为 u = u + ，u ( 3 5 ) i = j 矗+ ， ( 3 6 ) 从而可以计算出阻抗为 z 一肌2 等2 糌2 监气掣 c s ， j i r + j ij i ：+ i ? 一i 式中的、i r 、l 是用傅氏算法求出来的。对于故障阻抗继电器目前阻 抗元件的接线方式是相问阻抗o 。接线和具有零序电流补偿的接地阻抗0 。接线， 这两种接线方式的电压、电流组合如下表所示： 接线方式0 。接线 具有零序电流补偿的0 。接线 阻抗元件 z z b c z d乙z bz c 【， u _ 一u au 口一u cu c u 【，zu 5( ，c 接入量 l 。，一i bi b i ci c 一， + k 3 i oi b + k 3 1 0，c + c x 3 i o 表中k 为零序电流补偿系数，k ：墨譬粤 j z t ( 2 ) 用微分方程计算阻抗 对于一般的输电线路，在短路情况下，线路分布电容产生的影响主要表现为高 频分量，低通滤波将高频分量滤掉之后就可以忽略分布电容的影响，因此从故障点 到保护安装处的线路段可用一个电阻和电感的串联电路来表示，即将输电线路等效 为r l 模型，故障时母线电压和流过保护的电流的关系可以用下式表示： “( f ) ：r 。f ( f ) + 厶掣 ( 3 8 ) “i 式中两、白是待求的未知数，代表故障至保护安装处的线路的正序电阻和电 感。 华北电力大学硕士学位论文 “( f j f 为t 时刻保护安装处电压和电流的采样值或由采样值计算而得的数 据。 上述方程有两个未知数，不能求解，因此在两个不同时刻测量电压电流建立两 个方程，联立即可求出r 、l 。 l = 尺l i l + l 1 i d t 1 ( 3 9 ) “2 = r 2 i 2 + l 2 i d t 2 ( 3 1 0 ) 采用短数据窗计算时，选择t l 、t 2 两个时刻相隔一个采样间隔，两个时刻电 流的微分可以用差分来近似计算，为书写简便。鲁、_ d t r 2 分别用d l 、。2 代替 解上述方程组得 拈茜等 m 幻u 1 一“口 、u 7 扣嚣器 c s 蚴 n l 一“u 、。7 电压、电流取相邻两采样倩的平均信电流的导数用蒡钋表示为 ”塑产垆等笋 ，= 半之= 毕2 ， z d i ：堡i 丝d 2 ：堡生丑 1 乃 n 6 滤波算法1 6 1 ： ， 栽 “t lk ：k + 1 。 2 厶。的要求，在故障初始瞬间，电压、电流中可能含有 相当高的频率分量，为防止混叠，s 将不得不用得很高，对各保护模块的运行速度 提出过高的要求，而且大多数的微机保护原理都是反映工频量的，在这种情况下， 可以在采样之前用个低通滤波器将高频分量滤掉，这样就可以降低乓。 二阶低通滤波器可由r c 电路构成如图3 7 所示o _ _ t ( = 卜 图中参数r = 4 。3 k q ，c = 0 ipf 上上 。 工： 工：。 电压转移函数：图3 - 7r c 低通滤波器 u 国) = _ f k l i 卜睾吖壶昙 国p蟛p 国9 幅值函数为： l h ( j c o ) l = = = - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 l l r 2 c 2 2 + j 3 r c o ) 3 3 5 故障录波功能 ( 3 3 7 ) = 而菰孬i 丽+ ( 3 r c c o ) ( 3 3 8 )( 1 一r 2 c 2 国2 ) 2 2 、 故障录波设有突变量启动元件和开入量变位启动两种工作方式，由于平台规定 每个模块的最大输入输出量不得大于6 0 0 个，模块的数据存储是用输出来实现的， 因此一路电气量接一个录波元件。录波每周所录点数作为录波模块的参数可以修 改，记录数据时按分段方式记录，即每次记录故障前2 周半和故障后1 0 周的数据。 每次录波开始后一直监视启动开入，录波一直录至启动开入返回为止，即一直录至 保护启动元件均返回为止。 3 4 算法的定义 3 4 1 算法构成要素 ( 1 )